वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी

वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी ताप-से-कार्य (भौतिकी) परिवर्तनों (और उनके विपरीत) का अध्ययन है जो पृथ्वी के वायुमंडल में होता है और मौसम या जलवायु के रूप में प्रकट होता है। वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों का उपयोग करती है, नम हवा के गुणों, बादलों के निर्माण, वायुमंडलीय संवहन, सीमा परत मौसम विज्ञान और वातावरण में ऊर्ध्वाधर अस्थिरता जैसी घटनाओं का वर्णन और व्याख्या करने के लिए। तूफान के विकास के पूर्वानुमान में वायुमंडलीय थर्मोडायनामिक आरेखों का उपयोग उपकरण के रूप में किया जाता है। वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी क्लाउड माइक्रोफ़िज़िक्स और संवहन पैरामीट्रिज़ेशन (जलवायु) के लिए एक आधार बनाती है जिसका उपयोग संख्यात्मक मौसम मॉडल में किया जाता है और इसका उपयोग कई जलवायु संबंधी विचारों में किया जाता है, जिसमें संवहन-संतुलन जलवायु मॉडल शामिल हैं।

सिंहावलोकन

वातावरण एक गैर-संतुलन प्रणाली का एक उदाहरण है।^[1] वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी उत्प्लावक बलों के प्रभाव का वर्णन करती है जो कम घनी (गर्म) हवा के उदय, अधिक सघन वायु के वंश और तरल से वाष्प (वाष्पीकरण) और इसके संघनन में पानी के परिवर्तन का कारण बनती है। उन गतिकी को दबाव प्रवणता द्वारा संशोधित किया जाता है और उस गति को कोरिओलिस बल द्वारा संशोधित किया जाता है। उपयोग किए गए उपकरणों में ऊर्जा संरक्षण का नियम, आदर्श गैस नियम, विशिष्ट ऊष्मा क्षमता, आइसेंट्रोपिक प्रक्रियाओं की धारणा (जिसमें एन्ट्रापी एक स्थिर है), और नम एडियाबेटिक प्रक्रियाएं शामिल हैं (जिसके दौरान कोई ऊर्जा गर्मी के रूप में स्थानांतरित नहीं होती है)। अधिकांश ट्रोपोस्फेरिक गैसों को आदर्श गैसों और जल वाष्प के रूप में माना जाता है, वाष्प से तरल, ठोस, और वापस चरण को बदलने की क्षमता के साथ हवा के सबसे महत्वपूर्ण ट्रेस घटकों में से एक माना जाता है।

उन्नत विषय पानी के चरण संक्रमण, सजातीय और सजातीय न्यूक्लिएशन, बादल संघनन पर घुलित पदार्थों का प्रभाव, बर्फ के क्रिस्टल और बादल की बूंदों के निर्माण पर सुपरसेटरेशन की भूमिका हैं। नम हवा और बादल सिद्धांतों के विचारों में आम तौर पर विभिन्न तापमान शामिल होते हैं, जैसे समतुल्य संभावित तापमान, गीला-बल्ब और आभासी तापमान। जुड़े हुए क्षेत्र ऊर्जा, संवेग और द्रव्यमान स्थानांतरण, बादलों में वायु कणों के बीच विक्षोभ अंतःक्रिया, संवहन, उष्णकटिबंधीय चक्रवातों की गतिकी, और बड़े पैमाने पर वातावरण की गतिकी हैं।

वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी की प्रमुख भूमिका वायु गति के आदिम समीकरणों में शामिल हवाई पार्सेल पर कार्य करने वाले एडियाबेटिक और डायबैटिक बलों के रूप में या तो ग्रिड हल या सबग्रिड पैरामीटराइजेशन के रूप में व्यक्त की जाती है। ये समीकरण संख्यात्मक मौसम और जलवायु भविष्यवाणियों के लिए आधार बनाते हैं।

इतिहास

19वीं सदी की शुरुआत में निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नोट, रुडोल्फ क्लॉसियस और एमिल क्लैपेरॉन जैसे ऊष्मागतिकीविदों ने वायुमंडलीय भाप इंजनों के दहन और दबाव चक्र से संबंधित द्रव निकायों और वाष्प की गतिशीलता पर गणितीय मॉडल विकसित किए; एक उदाहरण क्लॉसियस-क्लैपेरॉन समीकरण है। 1873 में, ऊष्मप्रवैगिकीविद् विलार्ड गिब्स ने तरल पदार्थों के ऊष्मप्रवैगिकी में ग्राफिकल तरीके प्रकाशित किए।

19वीं शताब्दी में विकसित थर्मोडायनामिक आरेख का उपयोग अभी भी संवहन उपलब्ध संभावित ऊर्जा या वायु स्थिरता जैसी मात्राओं की गणना के लिए किया जाता है।

इस तरह की नींव स्वाभाविक रूप से वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी के सैद्धांतिक मॉडल के विकास के लिए लागू की जाने लगी जिसने सबसे अच्छे दिमागों का ध्यान आकर्षित किया। 1860 के दशक में वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी पर पेपर दिखाई दिए, जिन्होंने ऐसे विषयों को शुष्क और नम रूद्धोष्म प्रक्रियाओं के रूप में माना। 1884 में हेनरिक रुडोल्फ हर्ट्ज़ ने पहला वायुमंडलीय थर्मोडायनामिक आरेख (emagram) तैयार किया।^[2] छद्म-एडियाबेटिक प्रक्रिया को विल्हेम वॉन बेज़ोल्ड द्वारा गढ़ा गया था जिसमें हवा का वर्णन किया गया था क्योंकि यह उठाती है, फैलती है, ठंडी होती है, और अंततः इसके जल वाष्प को अवक्षेपित करती है; 1888 में उन्होंने वायुमंडल के ऊष्मप्रवैगिकी पर शीर्षक से बड़ा काम प्रकाशित किया।^[3] 1911 में वॉन अल्फ्रेड वेगेनर ने थर्मोडायनामिक डेर एटमॉस्फियर, लीपज़िग, जे.ए. बार्थ नामक पुस्तक प्रकाशित की।

यहीं से विज्ञान की एक शाखा के रूप में वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी का विकास शुरू हुआ। शब्द वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी, स्वयं, फ्रैंक डब्ल्यू वेरीज़ 1919 प्रकाशन के लिए खोजी जा सकती है: वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से पृथ्वी के उज्ज्वल गुण (वेस्टवुड एस्ट्रोफिजिकल वेधशाला के समसामयिक वैज्ञानिक पत्र)। 1970 के दशक के अंत तक इस विषय पर विभिन्न पाठ्यपुस्तकें दिखाई देने लगीं। आज, वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी मौसम पूर्वानुमान का एक अभिन्न अंग है।

कालक्रम

1751 चार्ल्स ले रॉय ने ओस बिंदु तापमान को हवा के संतृप्ति बिंदु के रूप में मान्यता दी
1782 जैक्स-चार्ल्स ने पेरिस में तापमान और दबाव को मापने के लिए हाइड्रोजन गुब्बारे की उड़ान बनाई
1784 ऊंचाई के साथ तापमान में बदलाव की अवधारणा का सुझाव दिया गया
1801–1803 जॉन डाल्टन ने वाष्प के दबाव के अपने नियम विकसित किए
1804 जोसेफ लुइस गे-लुसाक ने मौसम का अध्ययन करने के लिए गुब्बारे की चढ़ाई की
1805 पियरे साइमन लाप्लास ने ऊंचाई के साथ दबाव भिन्नता के अपने नियम को विकसित किया
1841 जेम्स पोलार्ड एस्पी ने चक्रवात ऊर्जा के संवहन सिद्धांत पर पेपर प्रकाशित किया
1856 विलियम फेरेल ने पछुवा हवा के कारण गतिकी प्रस्तुत की
1889 हर्मन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ और जॉन विलियम वॉन बेज़ोल्ड ने संभावित तापमान की अवधारणा का इस्तेमाल किया, वॉन बेज़ोल्ड ने एडियाबेटिक गिरावट दर और स्यूडोएडियाबैट का इस्तेमाल किया
1893 रिचर्ड असमन ने पहले वायु वैज्ञानिक सोंडे (दबाव-तापमान-आर्द्रता) का निर्माण किया
1894 जॉन विल्हेम वॉन बेज़ोल्ड ने समतुल्य तापमान की अवधारणा का उपयोग किया
1926 सर नेपियर शॉ ने टेफिग्राम पेश किया
1933 टोर बर्जरॉन ने सुपरकूल्ड (पानी की बूंदों की उपस्थिति में बर्फ के क्रिस्टल के घनीभूत विकास के कारण) से वर्षा का वर्णन करने वाले बादलों और वर्षा के भौतिकी पर पेपर प्रकाशित किया।
1946 विन्सेंट जे. शेफ़र और इरविंग लैंगमुइर ने पहला बादल छाना प्रयोग किया
1986 के. एमानुएल ने कार्नाट ताप इंजन के रूप में उष्णकटिबंधीय चक्रवात की संकल्पना की

अनुप्रयोग

हैडली परिसंचरण

हैडली सर्कुलेशन को हीट इंजन माना जा सकता है।^[4] हैडली संचलन की पहचान उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्र में गर्म और नम हवा के उठने से होती है, जो उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में ठंडी हवा के वंश के साथ होती है, जो ऊष्मीय रूप से संचालित प्रत्यक्ष संचलन के अनुरूप होती है, जिसके परिणामस्वरूप गतिज ऊर्जा का शुद्ध उत्पादन होता है। हैडली सिस्टम की थर्मोडायनामिक दक्षता, जिसे एक ताप इंजन माना जाता है, 1979-2010 की अवधि में अपेक्षाकृत स्थिर रही है, जो औसतन 2.6% है। इसी अंतराल में, हैडली शासन द्वारा उत्पन्न बिजली लगभग 0.54 TW प्रति वर्ष की औसत दर से बढ़ी है; यह उष्णकटिबंधीय समुद्री सतह के तापमान में देखी गई प्रवृत्ति के अनुरूप सिस्टम में ऊर्जा इनपुट में वृद्धि को दर्शाता है।

उष्णकटिबंधीय चक्रवात कार्नोट चक्र

वायु नम हो रही है क्योंकि यह संवहन प्रणाली की ओर यात्रा करती है। एक गहरे संवहन कोर में आरोही गति वायु विस्तार, शीतलन और संघनन पैदा करती है। निहाई बादल के रूप में दिखाई देने वाला ऊपरी स्तर का बहिर्वाह अंततः संरक्षित द्रव्यमान (र्यसुनेक - रॉबर्ट सिमोन) के रूप में उतर रहा है।

एक तूफान के उष्मागतिकीय व्यवहार को ऊष्मा इंजन के रूप में प्रतिरूपित किया जा सकता है ^[5] जो लगभग 300K (27 °C) के तापमान पर समुद्र के ताप जलाशय और लगभग 200K (-72 °C) के तापमान पर ट्रोपोपॉज़ के ताप सिंक के बीच संचालित होता है और इस प्रक्रिया में ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। हवाएं। समुद्र की सतह के करीब यात्रा करने वाली हवा के पार्सल गर्मी और जल वाष्प लेते हैं, गर्म हवा ऊपर उठती है और फैलती है और ठंडी होती है क्योंकि यह संघनन और वर्षा का कारण बनती है। ऊपर उठती हवा, और संघनन, संचारी हवाएं पैदा करती हैं जो कोरिओलिस बल द्वारा संचालित होती हैं, जो लहरों को तेज करती हैं और गर्म नम हवा की मात्रा को बढ़ाती हैं जो चक्रवात को शक्ति प्रदान करती हैं। ऊपरी क्षोभमंडल में घटता तापमान या सतह के करीब वातावरण का बढ़ता तापमान दोनों तूफानों में देखी जाने वाली अधिकतम हवाओं को बढ़ाएंगे। तूफान की गतिशीलता पर लागू होने पर यह कार्नाट ताप इंजन चक्र को परिभाषित करता है और तूफान की अधिकतम तीव्रता की भविष्यवाणी करता है।

जल वाष्प और वैश्विक जलवायु परिवर्तन

क्लॉसियस-क्लैपेरॉन संबंध से पता चलता है कि कैसे तापमान में प्रति सेल्सियस की वृद्धि से वातावरण की जल-धारण क्षमता लगभग 8% बढ़ जाती है। (यह दबाव या घनत्व जैसे अन्य मापदंडों पर सीधे निर्भर नहीं करता है।) यह जल-धारण क्षमता, या संतुलन वाष्प दबाव, अगस्त-रोशे-मैग्नस सूत्र का उपयोग करके अनुमानित किया जा सकता है।

e_{s}(T)=6.1094\exp \left({\frac {17.625T}{T+243.04}}\right)

(कहाँ $e_{s}(T)$ hPa में संतुलन या संतृप्ति वाष्प दबाव है, और $T$ डिग्री सेल्सियस में तापमान है)। इससे पता चलता है कि जब वायुमंडलीय तापमान बढ़ता है (उदाहरण के लिए, ग्रीन हाउस गैसें के कारण) पूर्ण आर्द्रता भी घातीय कार्य (एक निरंतर सापेक्ष आर्द्रता मानकर) में वृद्धि करनी चाहिए। हालाँकि, यह विशुद्ध रूप से थर्मोडायनामिक तर्क काफी बहस का विषय है क्योंकि संवहन के कारण अवतलन (वातावरण) के बढ़े हुए क्षेत्रों के कारण व्यापक सुखाने का कारण हो सकता है, वर्षा की दक्षता संवहन की तीव्रता से प्रभावित हो सकती है, और क्योंकि बादल निर्माण सापेक्षिक आर्द्रता से संबंधित है।^{[citation needed]}

यह भी देखें

विशेष विषय

लॉरेंज, ई.एन., 1955, उपलब्ध संभावित ऊर्जा और सामान्य परिसंचरण का रखरखाव, टेलुस, 7, 157-167।
इमानुएल, के, 1986, भाग I. उष्णकटिबंधीय चक्रवातों के लिए एक वायु-समुद्र संपर्क सिद्धांत, जे. एटमॉस। विज्ञान। 43, 585, (परिपक्व तूफान की ऊर्जा के संरक्षण को यहाँ कार्नोट इंजन के रूप में आदर्श बनाया गया है जो समुद्र से निकाली गई ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है)।

संदर्भ

↑ Junling Huang & Michael B. McElroy (2015). "ग्लोबल वार्मिंग के संदर्भ में वातावरण का थर्मोडायनामिक असमानता". Climate Dynamics. 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode:2015ClDy...45.3513H. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. S2CID 131679473.
↑ Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, vol. 1, pp. 421–431. English translation by Abbe, C. – The mechanics of the earth's atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, 843, 1893, 198–211
↑ Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. Wissensch. Berlin, pp. 485–522, 1189–1206; Gesammelte Abhandlugen, pp. 91–144. English translation Abbe, C. The mechanics of the earth's atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, no 843, 1893, 212–242.
↑ Junling Huang & Michael B. McElroy (2014). "Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years". Journal of Climate. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli...27.2656H. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. S2CID 131132431.
↑ Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)

अग्रिम पठन

Bohren, C.F. & B. Albrecht (1998). Atmospheric Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-509904-1.
Curry, J.A. and P.J. Webster, 1999, Thermodynamics of Atmospheres and Oceans. Academic Press, London, 467 pp (textbook for graduates)
Dufour, L. et, Van Mieghem, J. – Thermodynamique de l'Atmosphère, Institut Royal Meteorologique de Belgique, 1975. 278 pp (theoretical approach). First edition of this book – 1947.
Emanuel, K.A.(1994): Atmospheric Convection, Oxford University Press. ISBN 0-19-506630-8 (thermodynamics of tropical cyclones).
Iribarne, J.V. and Godson, W.L., Atmospheric thermodynamics, Dordrecht, Boston, Reidel (basic textbook).
Petty, G.W., A First Course in Atmospheric Thermodynamics, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, ISBN 978-0-9729033-2-5 (undergraduate textbook).
Tsonis Anastasios, A. (2002). An Introduction to Atmospheric Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79676-7.
von Alfred Wegener, Thermodynamik der Atmosphare, Leipzig, J. A. Barth, 1911, 331pp.
Wilford Zdunkowski, Thermodynamics of the atmosphere: a course in theoretical meteorology, Cambridge, Cambridge University Press, 2004.

[1] Junling Huang & Michael B. McElroy (2015). "ग्लोबल वार्मिंग के संदर्भ में वातावरण का थर्मोडायनामिक असमानता". Climate Dynamics. 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode:2015ClDy...45.3513H. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. S2CID 131679473.

[2] Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, vol. 1, pp. 421–431. English translation by Abbe, C. – The mechanics of the earth's atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, 843, 1893, 198–211

[3] Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. Wissensch. Berlin, pp. 485–522, 1189–1206; Gesammelte Abhandlugen, pp. 91–144. English translation Abbe, C. The mechanics of the earth's atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, no 843, 1893, 212–242.

[4] Junling Huang & Michael B. McElroy (2014). "Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years". Journal of Climate. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli...27.2656H. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. S2CID 131132431.

[5] Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)

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